En 2013, l’ASHRAE estimait que la superficie totale des salles propres construites dans le monde dépassait 12 millions de m², avec une croissance annuelle de 5 %. On peut donc supposer qu’à ce jour, cette superficie a dépassé les 15 millions de m². La situation a cependant évolué : les utilisateurs de salles propres appartiennent aujourd’hui à des secteurs très diversifiés, dont beaucoup sont soumis à des contraintes de marché et à des attentes plus modérées en matière de retour sur investissement.
Face à l’évolution des enjeux liés à la consommation énergétique, la norme ISO 14644, dans sa partie 16, aborde spécifiquement l’efficacité énergétique des salles propres. Elle définit une démarche visant à réduire et à optimiser les coûts énergétiques en agissant de manière globale sur l’ensemble du cycle de vie de la salle propre, depuis sa conception jusqu’à son démantèlement. Elle s’applique également aux salles propres existantes et en exploitation.
Approche systématique
La norme ISO 14644-16 propose une approche systématique de l’évaluation des économies d’énergie reposant sur sept étapes :
- Révision des Exigences Utilisateur (URS) et analyse de la conception sous l’angle de l’efficacité énergétique.
- Analyse comparative des performances de la salle propre.
- Identification des opportunités de réduction de la consommation énergétique.
- Évaluation de l’impact des différentes opportunités de réduction de la consommation.
- Sélection des mesures de réduction énergétique.
- Mise en œuvre.
- Suivi et retour d’expérience.
URS
Les Exigences Utilisateur (URS) constituent la « première pierre » de la construction d’une salle propre. La consommation énergétique de la future installation dépend en grande partie de la pertinence avec laquelle elles sont définies. La norme ISO 14644-16 accorde donc une importance majeure à la rédaction d’URS à la fois précises et équilibrées.
On considère parfois que plus les conditions imposées à une salle propre sont strictes et restrictives, plus son niveau de qualité sera élevé. En réalité, une surdéfinition des exigences ne fait souvent que donner une apparence de qualité supplémentaire, tout en augmentant la complexité technique ainsi que les coûts d’installation et d’exploitation.
Dans certaines salles propres, les produits ou matériaux traités peuvent tolérer des plages thermo-hygrométriques plus larges que celles nécessaires au confort des opérateurs. L’ISO 14644-16 rappelle que les limites de confort généralement admises pour l’humidité relative se situent entre 30 et 70 %. Pourtant, il est fréquent de rencontrer dans les installations des spécifications beaucoup plus restrictives, de l’ordre de 40 à 60 %, voire de 45 à 50 % d’humidité relative.
Une définition plus exigeante de certains paramètres peut néanmoins contribuer à rationaliser la consommation énergétique. Le personnel constitue la principale source de contamination dans une salle propre et, par conséquent, une grande partie des efforts de conception vise à éliminer la contamination générée par les personnes. Des exigences plus strictes concernant les tenues portées à l’intérieur de la salle propre peuvent ainsi permettre de réduire les émissions de contaminants.
Volume d’air
Le déplacement de l’air, ainsi que la régulation de la température et de l’humidité, figurent parmi les principales sources de consommation énergétique des salles propres. La réduction du débit d’air soufflé a donc un impact direct sur la consommation énergétique. De manière générale, la puissance consommée par le ventilateur varie selon le cube du débit d’air. Ainsi, réduire de moitié le débit d’air peut réduire la consommation du ventilateur d’un facteur huit.
L’un des concepts les plus répandus et les plus étroitement associés aux salles propres est celui du taux de renouvellement d’air par heure (ACH – Air Changes per Hour). Il est parfois considéré comme un critère quasiment intangible. De nombreuses salles propres sont ainsi remises en question, voire refusées, lorsqu’elles ne respectent pas strictement le nombre d’ACH spécifié, même lorsque les comptages particulaires au repos et en activité restent largement dans les limites établies.
La norme ISO 14644-16 relativise toutefois l’utilisation systématique des ACH comme méthode de calcul pour déterminer les débits de ventilation. La fonction de la ventilation dans une salle propre est d’éliminer les particules générées par l’activité à l’intérieur même de la salle. La norme propose donc de calculer le débit de ventilation à partir de la quantité de particules émises dans la salle par unité de temps, selon la formule suivante :
 |
...... |
C : Concentration requise de particules d’une taille donnée (comptages/m³) ; |
La partie la plus complexe réside dans l’estimation des paramètres D et Ɛ.
Le taux d’émission des équipements peut être considéré comme relativement faible, puisque l’une des exigences applicables aux équipements et aux matériaux introduits dans une salle propre est précisément qu’ils génèrent le moins de particules possible. La principale source d’émission de particules reste le personnel, et celle-ci dépend essentiellement de la tenue portée et du niveau d’activité.
Le paramètre Ɛ est lui aussi difficile à estimer, car il dépend des caractéristiques et de la position des entrées et sorties d’air, de la géométrie de la salle, de l’implantation des équipements, etc. L’utilisation de simulations CFD peut notamment contribuer à cette estimation.
Le paramètre C correspond au niveau de particules associé à la classe ISO recherchée. La norme recommande toutefois de retenir un niveau de particules inférieur comme « seuil d’alerte ou de sécurité ». Ainsi, pour une salle ISO 7, qui autorise jusqu’à 352 000 particules/m³ de 0,5 µm, il conviendrait de choisir une valeur C sensiblement inférieure, par exemple un tiers, soit 117 330 particules/m³, ou un quart, soit 88 000 particules/m³.
Dans tous les cas, les valeurs D et Ɛ restent théoriques et peuvent faire l’objet de discussions. L’ISO 14644-16 propose donc de compléter le calcul théorique par une méthode expérimentale alternative, fondée sur la mesure réelle des particules dans la salle en conditions opérationnelles. Cette méthode se déroule en trois étapes :
- Conception : un débit Q1 est déterminé à partir d’une première estimation des émissions de particules et de l’efficacité de la ventilation. Pour cette conception initiale, des données très conservatrices peuvent être utilisées, puisque le débit obtenu, Q1, sera optimisé au cours des étapes suivantes.
- Essais : le débit Q1 est testé dans la salle en conditions opérationnelles et les concentrations réelles sont mesurées pour différentes tailles de particules. À partir des données obtenues, un nouveau débit Q2, généralement inférieur à Q1, est calculé afin d’obtenir les résultats attendus.
- Exploitation : le débit Q2 est utilisé en fonctionnement et les données de surveillance permettent de confirmer qu’il est adapté ou, le cas échéant, d’optimiser un nouveau débit Q3 encore plus efficace.
Dans tous les cas, le débit final doit permettre d’atteindre le niveau de propreté requis sans compromettre les autres paramètres de la salle propre, notamment la température, l’humidité et la pression.
Cette nouvelle approche remet en question la pertinence du concept de renouvellements d’air par heure (ACH). La norme donne un exemple particulièrement parlant : deux salles propres présentant les mêmes sources d’émission de particules nécessitent le même débit d’air. Cependant, si l’une d’elles possède une hauteur sous plafond plus importante — et donc un volume supérieur — leurs valeurs d’ACH seront différentes, alors que les performances en matière de concentration particulaire pourront être similaires.
Régime réduit, arrêt et récupération
La réduction du débit doit être coordonnée avec un réglage automatique des registres de reprise afin de maintenir le régime de pression relative dans la salle. Pendant les périodes d’inactivité avec fonctionnement en régime réduit, il est important de maintenir fermés les points d’accès à la salle afin d’éviter l’introduction de contaminants.
Contrôle adaptatif
Dès lors que l’ISO 14644-16 relativise l’importance des renouvellements d’air par heure ou ACH, un autre principe historiquement associé aux salles propres peut également être remis en question : celui d’un débit de soufflage constant.
Jusqu’à présent, les principes de base de la ventilation d’une salle propre reposaient généralement sur un débit de soufflage constant et un débit de reprise variable pour assurer le contrôle de la pression. Mais si l’on considère que le débit de soufflage dépend des émissions de particules, toute variation du taux d’émission peut permettre d’envisager une variation du débit de soufflage.
C’est ainsi qu’apparaît le concept de « contrôle adaptatif ». Certains secteurs imposent une surveillance continue des particules dans les salles propres. C’est notamment le cas de l’Annexe 1 des GMP pour les grades A et B, ou des normes européennes ECSS du secteur spatial pour les classes allant jusqu’à ISO 8.
Lorsqu’un système de surveillance continue est disponible, il devient possible de définir une stratégie de régulation permettant d’ajuster le débit de soufflage en fonction de la concentration de particules détectée en temps réel.
La mise en œuvre n’est toutefois pas simple. Elle nécessite notamment de filtrer les données et de calculer des valeurs moyennes de comptage afin d’obtenir un signal de régulation stable, tout en tenant compte d’autres paramètres qui doivent rester maîtrisés, tels que la pressurisation, la température et l’humidité. Lorsqu’il est correctement conçu, ce système peut néanmoins constituer l’une des stratégies de gestion énergétique les plus efficaces pour les salles propres.
Réduction de la vitesse
Dans les systèmes à flux d’air unidirectionnel (UDAF), le paramètre déterminant n’est pas le débit d’air, mais sa vitesse. La valeur de 0,45 m/s ± 20 % (0,36–0,54 m/s) est restée pratiquement inchangée depuis sa définition dans les années 1960 par l’US Air Force et sa consécration par la célèbre norme US FED-STD 209.
L’ISO 14644-16 suggère d’appliquer le même raisonnement que celui utilisé pour réduire le débit dans les installations à flux turbulent, en diminuant la vitesse des unités UDAF pendant les périodes d’inactivité. La norme indique qu’en situation de faible activité ou d’absence d’activité, la vitesse pourrait être réduite à environ 0,2–0,3 m/s.
La norme recommande également d’évaluer la possibilité d’arrêter les unités UDAF installées à l’intérieur des salles propres pendant les périodes d’inactivité. En règle générale, le débit d’air d’une unité UDAF est nettement supérieur à celui de la salle propre dans laquelle elle est installée. Les économies d’énergie potentielles peuvent donc être considérables.
Ventilateurs
Pour qu’une réduction du débit se traduise réellement par des économies d’énergie, il est nécessaire de disposer de ventilateurs capables de convertir cette réduction de débit en diminution effective de la consommation, sans pertes mécaniques ni dégradation de l’efficacité.
Lors de la sélection des ventilateurs d’une salle propre, plusieurs critères doivent être pris en compte :
- Haute efficacité : afin de convertir la réduction du débit en économies d’énergie.
- Variation de vitesse : afin d’assurer une régulation précise du débit requis.
- Entraînement direct : afin d’éviter les pertes de transmission entre le moteur et la turbine. Les systèmes traditionnels à courroies et poulies peuvent, même lorsqu’ils sont en bon état, représenter entre 10 et 15 % de la consommation énergétique totale du moteur. Lorsque les courroies sont usées ou détendues, ces pertes peuvent être nettement supérieures.
Filtres
Les filtres à air constituent un élément essentiel des salles propres. Les niveaux élevés d’efficacité de filtration entraînent des pertes de charge importantes, directement liées à l’énergie nécessaire pour les compenser.
La perte de charge est proportionnelle au carré de la vitesse, tandis que la puissance évolue selon le cube de la vitesse. Ainsi, une réduction de 50 % de la perte de charge permet de réduire la puissance du ventilateur d’un facteur de 2,8.
Une utilisation excessive des filtres augmente la consommation énergétique de l’installation. L’ISO 14644-16 recommande donc d’adopter une approche fondée sur le cycle de vie des filtres, en déterminant leur remplacement selon des critères d’efficacité énergétique : autrement dit, lorsque le surcoût lié à la consommation d’énergie devient supérieur au coût d’amortissement d’un filtre neuf.
Charges thermiques
Les charges thermiques, qu’il s’agisse de froid ou de chaleur, constituent un autre facteur majeur de consommation énergétique dans une salle propre. L’ISO 14644-16 recommande d’aborder leur efficacité énergétique sous plusieurs angles :
- Réduction de la charge thermique : en améliorant l’efficacité de l’isolation vis-à-vis de l’extérieur et en rationalisant les charges internes, notamment en étudiant les possibilités de réduction ou d’isolation des sources de chaleur à l’intérieur de la salle.
- Rationalisation des points de consigne : en définissant des consignes et des plages de variation correspondant aux besoins réels de la salle. L’ISO 14644-16 indique notamment que l’humidité peut fluctuer entre 30 et 70 % lorsque son contrôle répond uniquement à des exigences de confort des occupants. Il est également recommandé d’adopter des consignes de température et d’humidité plus flexibles pendant les périodes de faible occupation ou de repos.
- Rationalisation de l’air extérieur : l’apport d’air extérieur constitue l’une des principales sources de charge thermique du système HVAC d’une salle propre. Le débit d’air extérieur doit être calculé et justifié en fonction des besoins de surpression, d’apport d’air neuf et de ventilation. Il est très courant de définir ce débit comme un pourcentage du débit total de soufflage. Selon l’ISO 14644-16, cette pratique ne repose sur aucune justification rationnelle, n’améliore pas la qualité de la salle propre et constitue une source d’inefficacité énergétique.
Malheureusement, dans la version espagnole publiée par AENOR, le terme anglais Fresh Air, qui désigne l’air extérieur ou l’air neuf, a été traduit de manière erronée par « aire limpio » (« air propre »). Certaines notions, telles que le taux de renouvellement d’air (ACE) ou les recommandations relatives à la réduction du débit d’air extérieur, deviennent ainsi confuses et difficiles à interpréter dans le texte espagnol.
Deux concepts différents se retrouvent donc regroupés sous une même définition : dans certaines parties du texte, « air propre » désigne un air filtré présentant une faible concentration de particules, tandis que dans d’autres, il désigne l’air extérieur utilisé pour le renouvellement.
Conclusions
L’ISO 14644-16 constitue un document particulièrement utile pour rationaliser et réduire la consommation énergétique des salles propres. Elle propose une méthodologie structurée et solide qui prend en compte l’ensemble des facteurs influençant les performances énergétiques de ces installations. Cette approche s’applique aussi bien aux nouvelles installations et aux projets de rénovation qu’aux salles propres déjà en exploitation.
Pour les industries utilisant des salles propres, l’ISO 14644-16 constitue ainsi une référence importante pour maintenir des coûts d’exploitation viables, accéder à des aides ou à des dispositifs d’exonération liés à l’efficacité énergétique et répondre aux politiques de responsabilité sociale et environnementale en matière de développement durable.
